功能化磁性玉米秸秆生物吸附剂的制备及对六价铬吸附性能的探究.doc

功能化磁性玉米秸秆生物吸附剂的制备及对六价铬吸附性能的研究 1、相关定义 1.1、生物吸附的概念 生物吸附这一概念一般用来描述微生物或藻类从溶液环境中富集回收重金属离子 的性质,现在随着人们对生物吸附技术研究的日益深入,这一概念已经不仅仅局限于微 生物,科学家们对一些大型生物体如大型海藻及其他高等植物的研究也逐渐增多起来。 我们通常将利用生物(活性、非活性及其衍生物)分离水体系中金属离子,非金属化合 物和固体颗粒的过程定义为”生物吸附” [3]。这是一个吸附—解吸附的过程。被吸附的离 子可被其它的离子、螯合剂解吸下来。 1.2、生物炭概念及特性 1.2.1 生物炭概念1.2.1 生物炭概念 生物炭是一个新创的科学术语。科学研究重视起源于对亚马逊盆地中部黑土的认识 (Terra Preta de Indio),这种土壤视为全球最肥沃土壤之一[7]。Lehmann 将其定义为: 在真空或少量空气接触下生物质(比如木材、肥料或叶子),加热条件下产生富集碳的 产物[8]。Shackley 将定义详细的描述为:无氧条件下,有机物质热解转化生成高孔隙率 的碳质,并具有自然环境中碳质结构稳定,不易变质的物理特性[9]。国际生物炭计划标 准化定义为:限氧条件下,生物质热化学转化获得的固体物质[10]。所有的定义都直接或 间接的与生物炭制备和土壤中的应用有关。Lehmann and Joseph 明确区分了来自木炭与 生物炭的不同[11]。最初通过他们的用途进行区分这两个专业术语,木炭是制造燃料和能 源过程中焦质的原料,而生物炭用在碳隔离和环境管理方面。 1.3、生物炭的概念和性质 生物炭(biochar)是富含碳的生物质通过热裂解的方法在缺氧或者少氧的条件下制备而 成的一种富有孔隙结构、含碳量高的碳化物质[5]。生物炭属于广义概念上黑碳(black carbon) 2 的一种类型。其制备原料来源广泛,农林业废弃物如木材、秸秆、果壳及工业和城市生活中 产生的有机废弃物如垃圾、污泥都可以作为原料。常见的生物质炭包括木炭、竹炭、秸秆炭、 稻壳炭等。由于原材料的复杂性,生物炭含有 C、H、O、N、P、K、Ca、Na、Mg 等多种元 素,总 N 含量从 1.8-56.4 g kg-1,总 P 从 2.7-480 g kg-1,pH 值范围从 4-12 不等[5]。 生物炭的性质主要受原材料、温度、制备时间的影响。不同生物质材料含有的纤维素、 半纤维素、木质素的比重不同,组织结构不同,碳化物的孔隙结构有很大差别[6]。生物炭的 制备温度一般小于 700,随制备温度的提高,生物质炭的 pH 值和表面积逐渐增加,产率降 低,芳香化程度逐渐升高,表面含氧官能团的组成发生变化,碱性官能团的数目逐渐增多, 元素组成、CEC 也发生变化[7-10]。 生物炭表面的物理化学性质使其成为一种良好的吸附材料。首先,生物炭具有疏松多孔 的结构,比表面积巨大。据报道,850下炭化竹材和椰子壳,发现 1 h 炭化后的竹炭比表面 积高达 370 m2 g-1,而椰子壳炭则为 410 m2 g-1[4]。其次,生物炭表面带有大量负电荷和较高的 电荷密度,并且富含一系列含氧、含氮、含硫官能团,具有很大的阳离子交换量(CEC), 理论上能够吸附大量可交换态阳离子[11]。由于生物炭的 CEC 与其 O/C 比有很好的相关性, 新制备的生物炭在空气和水中暴露一段时间后,经过微生物促进的表面氧化作用,其表面含 氧官能团增加,CEC 会增大[11-12]。 生物炭具有的高度芳香化结构使其与其他任何形式的有机碳相比具有更高的生物化学和 热稳定性,不易被矿化,可长期保存于环境和古沉积物中,因此被认为是稳定的CO2储库[13]。 Kuzyakov 等人利用14C标记的方法分析了多年生黑麦草制备的生物炭的滞留时间。结果显示 在理想条件下,生物炭每年可以降解0.5%,但是在自然条件下,生物炭的平均滞留时间大约 是2000年,半衰期是1400年[14]。Goldberg 认为生物质炭可以通过光化学裂解、微生物降解和 无机分解等3种机制降解[15]。生物炭的含碳量可高达70-80%,超出了微生物所能正常分解的 C/N(约为25:1),同时生物炭具有不易分解的高度芳香化结构,因此难以被微生物降解[16]。 生物炭在土壤中的滞留时间很大程度上取决于多种因素,包括生物炭的组成、化学性质、土 壤环境和气候条件等。 1.4、生物吸附概念的提出 由于传统处理重金属废水的方法效果不甚理想,而且成本较高,如果操作不 当还会引起二次污染。因此环境科技研究者一直努力寻求一种新的处理技术,所 以生物吸附法应运而生,并且有着极其广阔的应用前景。 所谓生物吸附(biological adsorption),就是利用生